玉米生殖生长期营养成分含量的变化

玉米生殖生长期营养成分含量的变化

粮食安全是中国乃至世界必须解决的问题。发展粮食稻草和食品加工将成为缓解粮食和食品安全的长期重要举措。我国有丰富的草地资源,天然草地面积达4亿hm2,约占国土面积的41%,近年来,我国草地过牧严重,退化、沙化现象十分严重。据报道,我国严重退化草原近1.8亿hm2,并以每年200万hm2的速度扩张,天然草原面积每年减少约65万～70万hm2。草原质量不断下降,90年代与60年代初比较,北方天然草原产草量下降了30%～50%。饲草的不足,导致了饲料粮的大量利用,威胁到了粮食安全。中国每年生产6.4亿多t的秸秆,其中以稻秸、玉米秸和麦秸为主,这些秸秆资源量约占秸秆总资源量的75.6%,但由于人们一直以来对秸秆营养价值的认识不足,使很多秸秆未被牲畜利用,导致资源的浪费。吉林西部位于东北农牧交错带东段,玉米是主要粮食作物,种植比例大。每年吉林省玉米籽实的产量稳定在1000万t以上,秸秆产量1000万t以上,生产大量玉米籽实的同时,也产生了大量的玉米秸秆,用于牲畜饲料的仅占10%左右,约有60%～70%作为燃料被消耗。有些农户待玉米秸秆干枯以后,直接在大田里将其焚烧,污染环境,浪费大量的能源。在该区草场严重退化的的背景下,寻找牧草的替代饲料至关重要。该区农民收获玉米主要以籽实为主,且收获时间一般在10月1日左右,此时秸秆大部分已枯黄,营养价值很低。玉米可以粮饲兼用,不同的器官、不同的部位营养状况不同。陈玉香系统地研究了东北农牧交错区玉米在生殖生长期的营养变化,但缺少对玉米消化率和代谢能的研究,对玉米整株作饲料的营养品质和产量的整体权衡也缺少研究。对秸秆饲料的利用方式多集中于秸秆的处理技术的研究,但处理秸秆需要技术含量及经济成本,在经济不发达地区难以推广。秸秆各部位营养价值及产量不同,有研究表明上部营养价值高于下部,但未结合产量给出具体的利用方式。本研究将玉米各个器官区分开,分别研究了玉米生殖生长期不同时间、不同器官、不同空间位置的营养成分含量动态变化,综合考虑玉米秸秆营养成分及籽实产量,确定玉米适宜的收获期,探讨玉米秸秆作为饲料的利用方式,从而为该地区合理利用玉米秸秆提供理论依据。1材料和方法1.1半湿润半干旱气候类型及年蒸发量本研究在中国科学院长岭草地农牧生态研究站进行,它位于吉林省西部,东北农牧交错带的东端,地理位置44°33′N,123°31′E,属于温带半湿润半干旱气候类型。年均温4.9℃,≥10℃积温2920℃,无霜期140～160d,年日照时数2800h。年降水量300～500mm,集中在6～9月,占总降水量的70%。年蒸发量1600.2mm,年蒸发量约是降水量的3.5倍。地带性土壤为黑钙土,农田为风沙土。1.2学习方法1.2.1玉米中叶片的记录选择郑单958玉米,其为当地推广品种,种植株距为40cm,行距为65cm。在大田种植管理条件下,随机取样,选取10株。于2007年分别在8月25日至9月29日,每隔4天取一次样,玉米留茬5cm。将每个植株分成四段,具体方法为从着生穗棒的结节处将植株分开,将其上、下的三节各作为一段,剩下的两部分各为一段。从基部开始至上将四段分别记为1茎、2茎、3茎、4茎,将其上着生的叶片分别记为1叶、2叶、3叶、4叶。将植株的茎(包括叶鞘)、叶片、苞叶、雄穗、穗轴、籽粒分开,放到105℃烘箱杀青30min后,将温度调至65℃烘干至恒重,称重后将10个重复混合,粉碎(过40目筛)用于营养测定。1.2.2干物质消化率测定测定粗蛋白含量、体外干物质消化率、代谢能。使用凯氏定氮仪(2300KjeltecAnalyzerUnit,FossTecator)测定粗蛋白含量。使用美国parr-1281半自动氧弹热量计(BombCalorimeter)测定总能(GE)。应用纤维素酶-胃蛋白酶两级离体消化法测体外干物质消化率。酶的选择与溶液的配制参照DeBoever(1986)测定有机物消化率(IVDOMD)一文,测定步骤及方法参照卢德勋(1991)两级离体消化法干物质消化率的方法。应用1965年ARC提供的方法计算代谢能:ME=GE×IVDMD×0.815式中,ME为代谢能;GE为总能;IVDMD为体外干物质消化率。本文中秸秆包括茎、叶、苞叶、穗轴、雄穗,地上部分包括秸秆与籽粒。1.2.3各测定指标的计算方法SPSS13.0进行统计分析和单因素方差分析(one-wayANOVA),Excel作图。茎生物量=1茎生物量+2茎生物量+3茎生物量+4茎生物量;叶生物量计算方法同上,将上式中的茎替换成叶;秸秆生物量=茎生物量+叶生物量+苞叶生物量+雄穗生物量+穗轴生物量;地上生物量=秸秆生物量+籽粒生物量。茎粗蛋白含量=(1茎粗蛋白含量×1茎生物量+2茎粗蛋白含量×2茎生物量+3茎粗蛋白含量×3茎生物量+4茎粗蛋白含量×4茎生物量)/茎生物量×100;叶粗蛋白含量计算方法同上,将上式中茎替换成叶;秸秆粗蛋白含量=(茎粗蛋白含量×茎生物量+叶粗蛋白含量×叶生物量+苞叶粗蛋白含量×苞叶生物量+穗轴粗蛋白含量×穗轴生物量+雄穗粗蛋白含量×粗蛋白生物量)/秸秆生物量×100;地上粗蛋白含量=(秸秆粗蛋白含量×秸秆粗蛋白含量+籽粒粗蛋白含量×籽粒生物量)/地上生物量×100。茎、叶、秸秆、地上消化率计算方法同粗蛋白含量计算方法,将式中粗蛋白含量替换成消化率即可。茎、叶、秸秆的地上代谢能计算方法同粗蛋白含量计算方法,将式中粗蛋白替换成代谢能,统一单位即可。玉米粗蛋白总量=地上粗蛋白含量×地上生物量/hm2。玉米可消化干物质总量=地上消化率×地上生物量/hm2。玉米代谢能总量=地上代谢能×地上生物量/hm2。每公顷产量(kg/hm2)=38462株/hm2×单株产量(g/株)/10002结果与分析2.1籽粒产量变化生殖生长期玉米各器官及籽粒、地上生物量动态过程如图1所示,随生长期延长,秸秆产量逐渐下降,籽粒产量呈上升趋势,在9月24日达到了最大值,最大单株产量为175g,经计算每公顷产量为67531kg,后期平稳。地上生物量先增加,9月4日达到了最大值,其后各值差异不显著,地上生物量达到了稳定。2.2健康动态2.2.1玉米秸秆覆盖时叶片的粗蛋白含量动态玉米茎、叶粗蛋白含量空间动态如图2所示,随生长期延长,茎、叶粗蛋白含量逐渐降低,后趋于平稳。茎粗蛋白含量均低于4%,从空间分布角度看,各段之间无明显规律;叶片粗蛋白含量均高于4%,最小值为5.87%,最大值为14.96%,从空间分布角度看,叶片从下至上粗蛋白含量逐渐增大,1叶的粗蛋白含量明显低于上部叶片。玉米各器官及秸秆、地上粗蛋白含量动态如图3所示,随生长期的延长,玉米各个器官粗蛋白含量逐渐降低后趋于平稳。在玉米各个器官中,叶片的含量最高,最高值达到了13.19%,即使在籽粒完全成熟时,叶片的粗蛋白含量依然很高,达8%左右。在此期间玉米秸秆各器官同期相比粗蛋白含量顺序为:叶>雄穗>苞叶>茎,穗轴在前两期大于茎,中期与茎几乎相同后又低于茎。在8月25日至9月29日期间,秸秆粗蛋白含量由6.26%降低至4.03%,籽粒粗蛋白含量由10.81%降至7.15%,9月4日以后,籽粒粗蛋白含量降低速度缓慢。2.2.2玉米秸秆消化率的日变化玉米茎、叶体外干物质消化率时空动态如图4所示,随生长期延长,茎、叶消化率逐渐降低,最后趋于平稳。从茎分布的空间角度看,2茎和3茎的消化率均高于1茎和4茎。从茎分布的空间角度看,无明显规律。在同一时期,同一段上,叶的消化率均大于茎。玉米各器官及秸秆、地上体外干物质消化率动态图5所示,随生长期的延长,玉米各个器官干物质消化率逐渐降低,后期趋于稳定。在此期间,玉米的各个器官中消化率最高的为苞叶,其次是籽粒。雄穗的消化率最低。秸秆中各器官消化率同期相比,顺序为:苞叶>叶>茎>雄穗,穗轴消化率在前两期大于茎,后与茎消化率基本相同。秸秆的消化率由63%降低至53%,籽粒的消化率由72%降至53%,后两期降低明显。9月24日,秸秆的消化率为53.04%。整个过程中,籽粒的消化率均高于秸秆消化率。2.2.3玉米器官及秸秆地上代谢能动态变化玉米茎、叶代谢能时空动态如图6所示,随生长期的延长,茎、叶的代谢能逐渐降低,最后趋于平稳。代谢能与消化率具有相同的变化趋势。玉米各器官及秸秆、地上代谢能动态如图7所示,随生长期的延长,玉米各个器官代谢能逐渐降低,后期趋于稳定。各器官代谢能的顺序与消化率的相同。在此期间秸秆的代谢能由8.6MJ/kg降至7.2MJ/kg,籽粒的代谢能由10.4MJ/kg降至7.5MJ/kg。9月24日,秸秆的代谢能值为7.09MJ/kg。由图可以看出,籽粒的代谢能降低速度大于秸秆。2.2.4玉米最佳收获时间确定玉米粗蛋白总量动态如图8所示,随生长期的延长,玉米的粗蛋白总量先是逐渐升高,后呈略下降趋势。蛋白总量最高值发生在9月9日。此时玉米为腊熟期,乳线在1/4左右。若此时收获全株玉米,每公顷可获得704kg粗蛋白。玉米可消化干物质总量动态如图9所示,随生长期的延长,玉米的可消化干物质量先是逐渐升高,后呈下降趋势。可消化干物质量最高值发生在9月4日。此时玉米为腊熟期,乳线刚刚出现。若此时收获全株玉米,每公顷可获得可消化的干物质为7802kg。玉米代谢能总量动态如图10所示,随生长期的延长,玉米的代谢能总量先是逐渐升高,后呈下降趋势。在9月4日达到了最高值。若此时收获全株玉米,每公顷可获得代谢能总量为107374MJ。单位面积上玉米籽实和秸秆粗蛋白的最大产量,是确定玉米最适宜收获时期的关键因素,但每公顷玉米地上部分可消化的干物质总量与代谢能总量同样不可忽视。本研究中,整株玉米籽实与秸秆的每公顷粗蛋白总量发生在9月9日,而可消化干物质与代谢能总量的最大值发生在9月4日。综合考虑上述三种因素,以整株玉米作为饲料考虑,最佳收获期应在9月4日至9月9日之间,即玉米播种后117天至121天之间收获,此时玉米籽粒乳线刚刚出现至到达1/4期间。随着生长期延长,秸秆的粗蛋白含量、消化率、代谢能均呈下降趋势。将秸秆全部作为饲料,后期营养低。可考虑将秸秆分段利用。2.3玉米中粗蛋白的含量表1～表3是将玉米秸秆按照空间的角度分成了四个部位,考虑了不同空间位置秸秆营养值的变化。按照本文1.2.1中分段的方法,人为地将四段进行组合得到如下四个部分:A=1茎叶、B=2茎叶+3茎叶+4茎叶、C=3茎叶+4茎叶、D=4茎叶,通过计算得到表1～表3中的数值。表中综合了秸秆的产量和营养两个因素。由表1可知,随着时间的延长,各部分粗蛋白含量及粗蛋白总量均呈下降趋势,但前期在9月24日以前,籽粒产量未达到最大,不能利用秸秆,因此可在9月24日收获玉米,利用秸秆。但1茎叶的产量低,粗蛋白含量也低,9月份粗蛋白含量均低于4%,若直接饲喂,将会阻碍家畜生长。其它组合方式,粗蛋白含量都较高,越是上部,粗蛋白含量越高。但随之获得的秸秆产量变低,粗蛋白总量也低。从粗蛋白含量对家畜生长的重要性考虑,可利用除了1茎叶以上的其它全部部位。随着时间的延长,各部分体外干物质消化率(代谢能)及可消化干物质的量(代谢能总量)均呈下降趋势,但前期在9月24日以前,籽粒产量未达到最大,不能利用秸秆,因此可在9月24日收获玉米,利用秸秆。同一时期,四种组合方式间,体外干物质消化率均为50%以上,即使在大田收获时期(9月29日)(见表2),代谢能也很高,在大田收获期约为7MJ/kg。因此,除1茎叶粗蛋白含量低,其余三种组合,都可作为家畜的优质粗饲料,在玉米籽粒收获以后,秸秆中上部营养都可以满足家畜生长的需要。另外,由于下部叶的粗蛋白、消化率、代谢能也都很高,因此,下部叶片仍可作为家畜优质的粗饲料。建议将下部茎作为燃料,利用下部叶片及中上部秸秆作为家畜的优质粗饲料。3玉米消化率与干物质代谢随生长期的延长,玉米各个器官粗蛋白含量、消化率及代谢能含量逐渐降低后趋于平稳。在大田收获时期,秸秆粗蛋白含量大于4%。秸秆中各器官粗蛋白含量同期相比,顺序为:叶>雄穗>苞叶>茎,穗轴在前两期大于茎,中期与茎几乎相同后又低于茎;消化率同期相比,顺序为:苞叶>叶>茎>雄穗,穗轴消化率在前两期大于茎,后与茎消化率基本相同;各器官代谢能的顺序与消化率的相同。籽粒的代谢能降低速度大于秸秆。总体上,叶片的营养价值最高,由下至上逐渐降低。9月24日(播种后第137天)玉米籽粒产量达到最大。若以收获籽粒为目的,则应在此时期收获。收获后秸秆营养价值低,粗蛋白含量为4.03%,体外干物质消化率为53.04%,代谢能为7.09MJ/kg。9月9日(播种后第121天)玉米粗蛋白总量最高为704kg/hm2,9月4日(播种后第117天)玉米可消化干物质量与代谢总能最高,分别为7802kg/hm2和107374MJ/hm2。若以整株作为饲料,综合考虑三种因素,玉米收获最佳期应在9月4日～9月9日之间。在玉米籽粒收获以后,玉米下部叶片及秸秆中上部营养完全可以满足家畜生长的需要。因此,可将下部茎作为燃料,利用下部叶片及中上部秸秆作为家畜的优质粗饲料。4玉米饲料的营养特性在玉米进入生殖生长期的初期,秸秆的营养开始向籽粒转移,造成秸秆营养下降迅速,但与此同时,籽粒中蛋白、淀粉及脂肪的积累,使玉米整体的营养状况下降得相对缓慢。同时,由于秸秆的逐渐衰老枯黄,产量降低,而籽粒产量在不断的增加,结果是地上的生物量在生长后期基本稳定。在传统收获时间10月1日左右,整株玉米营养价值已经下降很多。本研究中,9月29日,整株玉米粗蛋白含量为5.7%,干物质消化率为53.6%,代谢能为7.4MJ/kg。此时收获的玉米是以损失营养为代价的。粗蛋白含量高于4%意味着牲畜采食后都可以产生氮沉积而生长,因此,粗蛋白含量是评价饲草营养价值的一个非常重要的指标。在玉米营养较高时,玉米的产量尚未达到最大,导致营养总量不高。因此,需要在产量和营养之间做一个权衡。有学者认为,粗蛋白总量最大是玉米最适合的收获期。粗蛋白对于家畜的生长来说固然重要,但我认为,有足够多的粗蛋白,但消化率低,会造成粗蛋白的损